KR102181745B1 - Differential phase radar bio-signal detection apparatus and method - Google Patents

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Abstract

본 발명은 차동위상 도플러 레이더 생체신호 검출 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 생체 신호를 검출함에 있어서, 생명체의 움직임에 따른 잡음을 효율적으로 제거하고, 필요한 생체 신호를 정확하게 측정할 수 있는 차동위상 도플러 레이더 생체신호 검출 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 차동위상 도플러 레이더 생체신호 검출 장치는 생명체를 향해 신호를 송신하는 송신부, 상기 생명체로부터 반사되는 신호를 수신하는 복수의 수신부, 상기 복수의 수신부가 수신한 신호를 이용해 생명체의 움직임에 의한 성분을 제거하고 생체 신호를 획득하는 신호처리부를 포함하는 구성을 제시한다.The present invention relates to a differential phase Doppler radar bio-signal detection apparatus and method, and more particularly, in detecting a bio-signal, a differential capable of efficiently removing noise due to movement of a living organism and accurately measuring a necessary bio-signal It relates to a phase Doppler radar bio-signal detection apparatus and method. The differential phase Doppler radar bio-signal detection apparatus according to an embodiment of the present invention includes a transmission unit that transmits a signal to a living organism, a plurality of receiving units that receive signals reflected from the living organism, and a living organism using signals received by the plurality of receiving units. We present a configuration including a signal processing unit that removes components caused by the motion of and acquires a biosignal.

Description

차동위상 레이더 생체신호 검출 장치 및 방법{DIFFERENTIAL PHASE RADAR BIO-SIGNAL DETECTION APPARATUS AND METHOD}Differential phase radar bio-signal detection device and method {DIFFERENTIAL PHASE RADAR BIO-SIGNAL DETECTION APPARATUS AND METHOD}

본 발명은 차동위상 도플러 레이더 생체신호 검출 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 생체 신호를 검출함에 있어서, 생명체의 움직임에 따른 잡음을 효율적으로 제거하고, 필요한 생체 신호를 정확하게 측정할 수 있는 차동위상 도플러 레이더 생체신호 검출 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a differential phase Doppler radar bio-signal detection apparatus and method, and more particularly, in detecting a bio-signal, a differential capable of efficiently removing noise due to movement of a living organism and accurately measuring a necessary bio-signal It relates to a phase Doppler radar bio-signal detection apparatus and method.

근래에 생체신호를 검출하기 위한 도플러 레이더에 대한 관심이 급증하고 있다. 도플러 레이더는 단일 주파수 지속파를 전송하여 움직이는 물체에 의해 반사되는 위상 변조된 지속파를 수신하는 시스템이다. 지속파에 변조된 위상 신호에는 시간에 따른 물체의 움직임에 대한 변위 정보를 포함한다. 이와 같은 도플러 효과를 이용한 생체신호 검출기는 사람의 심장박동 및 호흡으로 야기되는 생리학적 움직임에 의해 위상 변조된 신호를 수신하여 심박수, 호흡주기 등을 검출할 수 있다. 도플러 레이더는 접촉하지 않고 멀리서 생체신호를 측정 할 수 있으며 외부 환경에 영향을 받지 않고 구조가 간단하다는 장점이 있다. 따라서, 환자의 심장박동 모니터링, 홈 헬스케어 그리고 차량 운전자의 심장박동 상태 측정 등 여러 분야에 응용될 수 있으며 이를 위한 연구가 활발히 진행 되고 있다.In recent years, interest in Doppler radar for detecting bio-signals is increasing rapidly. Doppler radar is a system that transmits a single frequency continuous wave to receive a phase modulated continuous wave reflected by a moving object. The phase signal modulated by the continuous wave includes displacement information on the motion of the object over time. The biosignal detector using such a Doppler effect may detect a heart rate, a respiratory cycle, and the like by receiving a signal that is phase modulated by a physiological movement caused by a person's heartbeat and breathing. The Doppler radar has the advantage of being able to measure biological signals from a distance without contact, and is not affected by the external environment and has a simple structure. Therefore, it can be applied to various fields such as monitoring the heart rate of a patient, home healthcare, and measuring the heart rate of a vehicle driver, and research for this is actively being conducted.

사람의 생체신호는 매우 작은 움직임 이므로 도플러 레이더와 피 측정자의 거리에 따라 하나의 정현파로는 검출이 되지 않는 널 포인트 문제가 존재한다. 이를 해결하기 위해 서로 직각 위상을 가지는 I, Q 신호를 출력하는 도플러 레이더 구조가 제안되었다. 이러한 수신기 구조를 가지는 도플러 레이더는 수신부에서 얻어지는 I, Q 기저대역 신호를 복소 신호 복조(Complex signal demodulation) 방법 또는 아크탄젠트 복조(Arctangent demodulation) 방법을 이용하여 레이더와 피 측정자의 거리에 상관없이 사람의 생체신호를 검출할 수 있다. 또한, 아크탄젠트 복조 방법에서 아크탄젠트 함수의 공역이 -180

Figure 112018008974719-pat00001
~180
Figure 112018008974719-pat00002
로 제한되는 문제점을 해결하기 위해 extended differentiate and cross multiply (DACM) 알고리즘이 제안되었다.Since human bio-signals are very small movements, there is a null point problem that cannot be detected with one sine wave depending on the distance between the Doppler radar and the subject. To solve this problem, a Doppler radar structure that outputs I and Q signals having perpendicular phases has been proposed. The Doppler radar having such a receiver structure uses a complex signal demodulation method or arctangent demodulation method for I and Q baseband signals obtained from the receiver, regardless of the distance between the radar and the subject. Bio-signals can be detected. In addition, in the arctangent demodulation method, the conjugate of the arctangent function is -180
Figure 112018008974719-pat00001
~180
Figure 112018008974719-pat00002
The extended differentiate and cross multiply (DACM) algorithm was proposed to solve the problem limited to

비록 생체신호 검출을 위한 도플러 레이더에 대한 연구가 진행되면서 많은 기술적 문제가 해결되었지만, 도플러 레이더를 이용하여 실제로 생체신호를 검출 하는 경우 약간의 신체움직임(0.5cm~2cm) 이라도 생체신호에 비해 큰 크기의 잡음 신호가 되어 생체신호를 왜곡하게 된다는 심각한 문제가 남아있다. 따라서 심장박동과 호흡에 의한 움직임이 아닌 임의의 신체동작으로 인한 잡음을 제거해 주어야 정확한 생체신호를 검출할 수 있다. 이에 따라, 임의의 신체 움직임을 제거하기 위한 소프트웨어 그리고 하드웨어를 기반으로 하는 방법들이 연구되고 있다. 하지만, 소프트웨어 기반의 방법은 정해진 패턴의 움직임만 제거할 수 있거나 정확한 결과를 얻는데 시간이 오래 걸린다는 단점이 있다. 또, 현재 제안된 하드웨어를 기반으로 하는 방법들은 복잡한 구조의 레이더를 이용하거나 카메라 같은 추가적인 장치가 필요하기 때문에 구현하기 힘들며 비용측면에서 개선이 필요한 실정이다.Although many technical problems have been solved as research on Doppler radar for bio-signal detection progresses, when a bio-signal is actually detected using a Doppler radar, even a slight body movement (0.5cm~2cm) is larger than the bio-signal. There remains a serious problem of distorting the bio-signal as it becomes a noise signal. Therefore, accurate biological signals can be detected only by removing noise caused by arbitrary body movements, not movements caused by heartbeat and breathing. Accordingly, software and hardware-based methods for removing arbitrary body movements are being studied. However, the software-based method has the disadvantage that it can only remove movement of a predetermined pattern or it takes a long time to obtain an accurate result. In addition, the currently proposed hardware-based methods are difficult to implement because they use a radar of a complex structure or require an additional device such as a camera, and improvement is required in terms of cost.

따라서, 본 발명의 목적은 차동위상 신호를 이용해 임의의 신체 움직임에 의해 발생하는 잡음을 제거하고 생체신호를 검출하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다. Accordingly, an object of the present invention is to provide an apparatus and method for removing noise generated by arbitrary body movement and detecting a biosignal using a differential phase signal.

상기한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 차동위상 레이더 생체신호 검출 장치는 생명체를 향해 신호를 송신하는 송신부, 상기 생명체로부터 반사되는 신호를 수신하는 복수의 수신부 및 상기 복수의 수신부가 수신한 신호를 이용해 생명체의 움직임에 의한 성분을 제거하고 생체 신호를 획득하는 신호처리부를 포함할 수 있다.The differential phase radar bio-signal detection apparatus according to an embodiment of the present invention for solving the above problem includes a transmitting unit for transmitting a signal to a living organism, a plurality of receiving units for receiving signals reflected from the living organism, and the plurality of receiving units. It may include a signal processing unit that removes a component caused by the movement of a living body using the received signal and obtains a bio-signal.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 수신부에서 받은 신호를 디지털 신호로 변환하고, 상기 변환한 신호를 상기 신호처리부에 전달하는 신호 변환부를 더 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, it may further include a signal converter for converting the signal received from the receiving unit into a digital signal and transmitting the converted signal to the signal processing unit.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 수신부는 상기 송신부를 중심에 두고 대칭인 위치에 배치될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the receiver may be disposed in a symmetrical position with the transmitter at the center.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 수신부는 상기 송신부를 중심으로 상하좌우 위치에 4개로 포함될 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, the receiving unit may be included in four vertical, left, and right positions centered on the transmitting unit.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 신호처리부는 상기 복수의 수신부에서 수신한 신호의 차동위상을 얻어 생명체의 움직임에 의한 노이즈를 제거하고 생체신호를 획득할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the signal processing unit may obtain a differential phase of signals received by the plurality of receiving units to remove noise due to movement of a living organism and obtain a biosignal.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 신호처리부는 상기 복수의 수신부에서 수신한 신호를 I/Q 기저대역 신호로 변환 후 이를 이용하여 차동위상을 얻을 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the signal processing unit may obtain a differential phase by converting signals received from the plurality of receiving units into I/Q baseband signals and using them.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 신호처리부는 상기 기저대역 신호의 동적 직류 오프셋을 제거한 뒤 차동위상을 얻을 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the signal processing unit may obtain a differential phase after removing the dynamic DC offset of the baseband signal.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 동적 직류 오프셋이 제거된 기저대역 신호를 이용해 차동위상을 편각으로 갖는 I/Q 기저대역 신호를 얻을 수 있다.According to an embodiment of the present invention, an I/Q baseband signal having a differential phase as a declination angle may be obtained by using the baseband signal from which the dynamic DC offset is removed.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 신호처리부는 상기 차동위상을 편각으로 갖는 I/Q 기저대역 신호를 진폭 잡음 요소의 크기로 나누고 복조하여 차동위상을 얻을 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the signal processing unit may obtain a differential phase by dividing the I/Q baseband signal having the differential phase as a declination angle by the size of an amplitude noise component and demodulating it.

상기한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 차동위상 레이더 생체신호 검출 방법은 송신부가 생명체에 신호를 송신하는 단계, 복수의 수신부가 상기 생명체에게서 반사된 신호를 복수의 위치에서 수신하는 단계 및 상기 복수의 위치에서 수신한 복수의 신호를 이용해 생명체의 움직임에 의한 성분을 제거하고 생체 신호를 획득하는 단계를 포함할 수 있다,In order to solve the above problem, a method for detecting a biometric signal from a differential phase radar according to an embodiment of the present invention includes the steps of: a transmitter transmitting a signal to an organism, and a plurality of receiving units receiving signals reflected from the living organism at a plurality of locations. And removing a component due to movement of a living organism using a plurality of signals received at the plurality of locations and obtaining a biosignal.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 신호 수신 단계는 상기 복수의 수신부가 상기 송신부를 중심에 두고 대칭인 위치에 배치될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, in the signal reception step, the plurality of receivers may be arranged at a symmetrical position with the transmitter at the center.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 수신부는 상기 송신부를 중심으로 상하좌우 위치에 4개로 포함될 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, the receiving unit may be included in four vertical, left, and right positions centered on the transmitting unit.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 생체 신호 획득 단계는 상기 복수의 수신부에서 수신한 신호의 차동위상을 얻어 생명체의 움직임에 의한 노이즈를 제거하고 생체신호를 획득할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, in the obtaining of the biosignal, the differential phase of the signals received by the plurality of receivers may be obtained to remove noise caused by movement of a living organism and obtain a biosignal.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 생체 신호 획득 단계는 상기 복수의 수신부에서 수신한 신호를 I/Q 기저대역 신호로 변환해, 차동위상을 얻는 단계를 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the step of obtaining the biosignal may include converting signals received from the plurality of receivers into I/Q baseband signals to obtain a differential phase.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 생체 신호 획득 단계는 상기 기저대역 신호의 동적 직류 오프셋을 제거한 뒤 차동위상을 얻는 단계를 더 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the step of obtaining the biosignal may further include obtaining a differential phase after removing the dynamic DC offset of the baseband signal.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 생체 신호 획득 단계는 상기 동적 직류 오프셋이 제거된 기저대역 신호를 이용해 차동위상을 편각으로 갖는 I/Q 기저대역 신호를 계산하여 얻는 단계를 더 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the step of obtaining the biosignal may further include calculating and obtaining an I/Q baseband signal having a differential phase as a declination angle using the baseband signal from which the dynamic DC offset is removed. .

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 생체 신호 획득 단계는 상기 차동위상을 편각으로 갖는 I/Q 기저대역 신호를 진폭 잡음 요소의 크기로 나누고 복조하는 차동위상을 얻는 단계를 더 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the step of obtaining the biosignal may further include obtaining a differential phase by dividing the I/Q baseband signal having the differential phase as a declination angle by the size of an amplitude noise component and demodulating it.

본 발명에 따르면, 생명체의 신체 움직임을 제거하고 정확하게 생체신호 측정을 수행할 수 있다. According to the present invention, it is possible to remove body movements of living organisms and accurately measure biometric signals.

또한, 기존의 기술보다 생명체의 움직임을 제거하고 생체신호를 측정하고, 움직임 외에 추가적으로 발생하는 노이즈에 의한 신호변조를 잡아 측정한 생체신호를 더 정확하게 검출할 수 있는 기술을 제공할 수 있다. In addition, it is possible to provide a technology capable of more accurately detecting a measured biological signal by removing the motion of a living organism and measuring a biological signal, and by catching signal modulation by noise additionally generated in addition to the motion than the existing technology.

또한, 기존의 생체신호 검출 장치 및 방법에 새로운 장치를 도입할 필요 없이 간단한 설계 변경으로 쉽게 적용할 수 있다. In addition, it can be easily applied with a simple design change without the need to introduce a new device to an existing biosignal detection device and method.

도 1은 도플러 레이더 생체신호 검출 장치의 일 예시이다.
도 2는 생명체 움직임을 제거하기 위한 도플러 레이더 생체신호 검출 장치의 일 예시이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 도플러 레이더 생체신호 검출 장치의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 도플러 레이더 생체신호 검출 장치의 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 기저대역 신호의 동적 직류 오프셋 제거 방법의 일 예시이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 기저대역 신호를 이용해 차동위상을 얻는 방법의 일 예시이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 도플러 레이더 생체신호 검출 장치의 송수신부 배치의 일 예시이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 도플러 레이더 생체신호 검출 방법의 흐름도이다.
1 is an example of a Doppler radar bio-signal detection apparatus.
2 is an example of a Doppler radar bio-signal detection apparatus for removing a movement of a living body.
3 is a block diagram of a Doppler radar bio-signal detection apparatus according to an embodiment of the present invention.
4 is a block diagram of a Doppler radar bio-signal detection apparatus according to an embodiment of the present invention.
5 is an example of a method for removing a dynamic DC offset of a baseband signal according to an embodiment of the present invention.
6 is an example of a method of obtaining a differential phase using a baseband signal according to an embodiment of the present invention.
7 is an example of an arrangement of a transmitting and receiving unit of a Doppler radar bio-signal detection apparatus according to an embodiment of the present invention.
8 is a flowchart of a method for detecting a biosignal of a Doppler radar according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 '차동위상 도플러 레이더 생체신호 검출 장치 및 방법'를 상세하게 설명한다. 설명하는 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 당업자가 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것으로 이에 의해 본 발명이 한정되지 않는다. 또한, 첨부된 도면에 표현된 사항들은 본 발명의 실시 예들을 쉽게 설명하기 위해 도식화된 도면으로 실제로 구현되는 형태와 상이할 수 있다.Hereinafter, the'differential phase Doppler radar bio-signal detection apparatus and method' according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The described embodiments are provided so that those skilled in the art can easily understand the technical idea of the present invention, and the present invention is not limited thereto. In addition, matters expressed in the accompanying drawings are schematic drawings for easy explanation of embodiments of the present invention and may be different from the actual implementation form.

한편, 이하에서 표현되는 각 구성부는 본 발명을 구현하기 위한 예일 뿐이다. 따라서, 본 발명의 다른 구현에서는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위에서 다른 구성부가 사용될 수 있다. Meanwhile, each component expressed below is only an example for implementing the present invention. Accordingly, in other implementations of the present invention, other components may be used without departing from the spirit and scope of the present invention.

또한, 각 구성부는 순전히 하드웨어 또는 소프트웨어의 구성만으로 구현될 수도 있지만, 동일 기능을 수행하는 다양한 하드웨어 및 소프트웨어 구성들의 조합으로 구현될 수도 있다. 또한, 하나의 하드웨어 또는 소프트웨어에 의해 둘 이상의 구성부들이 함께 구현될 수도 있다. In addition, each component may be implemented with purely hardware or software, but may be implemented with a combination of various hardware and software components that perform the same function. In addition, two or more components may be implemented together by one piece of hardware or software.

또한, 어떤 구성요소들을 '포함'한다는 표현은, '개방형'의 표현으로서 해당 구성요소들이 존재하는 것을 단순히 지칭할 뿐이며, 추가적인 구성요소들을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. In addition, the expression'including' certain elements is an expression of'open type' and simply refers to the existence of the corresponding elements, and should not be understood as excluding additional elements.

도 1은 도플러 레이더 생체신호 검출 장치의 일 예시이다.1 is an example of a Doppler radar bio-signal detection apparatus.

도 1을 참조하면, 기존의 생체신호 검출을 위한 도플러 레이다는 오실레이터(Oscillator)에서 발생시킨 신호를 송신부(TX)를 통해 생명체를 향해 보낸 후, 생명체에게서 반사되어 돌아오는 신호를 수신부(RX)에서 수신하여 생체신호를 검출할 수 있다. 기존의 생체신호 검출을 위한 도플러 레이다는 하나의 수신기와 하나의 송신기로 이루어져 있으며 구조를 간단히 하기 위해 직접 변환 구조를 사용한다. 널 포인트 문제점을 해결 하기 위해 I/Q 직각위상 신호를 복조하는 구조를 취한다. 레이다 송신부에서 단일 주파수 지속파를 전파하고 수신부에서 위상 변조된 신호를 수신하여 심장박동과 호흡 신호를 검출한다.Referring to FIG. 1, a conventional Doppler radar for detecting a bio-signal sends a signal generated by an oscillator to a living organism through a transmitting unit TX, and then a signal reflected from the living organism is received at the receiving unit RX. It can receive and detect a bio-signal. The conventional Doppler radar for detecting bio signals consists of one receiver and one transmitter, and uses a direct conversion structure to simplify the structure. In order to solve the null point problem, a structure is taken to demodulate the I/Q quadrature signal. A single frequency continuous wave is propagated by the radar transmitter and a phase modulated signal is received by the receiver to detect heartbeat and respiration signals.

하지만, 기존의 생체신호 검출을 위한 도플러 레이다는 생명체가 정지해 있지 않고 신체 움직임을 동반 하는 경우, 수신부를 거쳐 복조된 위상 신호에는 생체신호와 신체 움직임 잡음신호가 모두 포함되게 된다. 따라서 복조된 위상 신호는 생체신호와 신체 움직임 신호의 선형 합으로 표현될 수 있으며 일반적으로 신체 움직임 신호가 생체신호보다 신호의 크기가 크기 때문에 정확한 생체신호를 검출 할 수 없게 된다. 이와 같은 구조를 이용하여 실제 생체신호 검출에 적용하는 경우, 피 측정자가 어떤 움직임도 없이 정지해 있는 경우가 없으므로 검출 오류가 발생하기 쉽다는 문제점이 존재한다.However, in a conventional Doppler radar for detecting a bio-signal, when a living body is not stationary and accompanied by body movement, both the bio-signal and the body motion noise signal are included in the phase signal demodulated through the receiving unit. Accordingly, the demodulated phase signal can be expressed as a linear sum of the bio-signal and the body motion signal. In general, since the body motion signal has a larger signal size than the bio-signal, an accurate bio-signal cannot be detected. When such a structure is used to detect an actual bio-signal, there is a problem that a detection error is liable to occur because the subject is not stopped without any movement.

도 2는 생명체 움직임을 제거하기 위한 도플러 레이더 생체신호 검출 장치의 일 예시이다.2 is an example of a Doppler radar bio-signal detection apparatus for removing a movement of a living body.

도 2를 참조하면, 기존의 생명체 움직임을 제거하기 위한 도플러 레이터 생체신호 검출 장치는 임의의 신체 움직임을 제거 하기 위해 두 개의 송, 수신기를 이용한 도플러 레이다 구조가 제안되었다. 도 1과 같은 구조의 도플러 레이다 송, 수신기 두 개를 피 측정자의 앞과 뒤에 각각 배치하여 각각 송, 수신기에서 측정된 위상 신호를 이용하여 임의의 신체 움직임을 제거하는 방법이다. 위상을 복조하기 위해 복소 신호 복조(Complex signal demodulation) 방법을 이용하였으며, 앞, 뒤에서 검출된 신호를 곱함으로써 임의의 신체 움직임을 제거한다. 이와 같은 복조 방법은 기저 대역 신호에 포함된 직류 오프셋과 교류 진폭의 변화를 고려하지 않아 큰 움직임에 대하여 검출 오류에 대한 가능성이 높다는 단점이 있다. 또한, 도 2와 같은 양 방향의 레이다 배치는 실제 어플리케이션에 적용하기 어렵고 하드웨어 구성이 기존의 도플러 레이다 센서에 비하여 매우 복잡하다는 단점이 있다.Referring to FIG. 2, a Doppler radar structure using two transmitters and a receiver has been proposed as a conventional Doppler bio-signal detection apparatus for removing a motion of a living body. This is a method of removing arbitrary body movements using phase signals measured by the transmitter and receiver by disposing two Doppler radar songs and receivers having the structure as shown in FIG. In order to demodulate the phase, a complex signal demodulation method is used, and arbitrary body movements are removed by multiplying signals detected from the front and rear. Such a demodulation method has a disadvantage in that there is a high possibility of a detection error with respect to a large motion because the DC offset included in the baseband signal and the change in AC amplitude are not considered. In addition, the radar arrangement in both directions as shown in FIG. 2 has a disadvantage in that it is difficult to apply to an actual application and the hardware configuration is very complex compared to the existing Doppler radar sensor.

도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 도플러 레이더 생체신호 검출 장치의 블록도이다. 3 and 4 are block diagrams of a Doppler radar bio-signal detection apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 도플러 레이더 생체신호 검출 장치는 송수신부(310), 신호처리부(320) 및 신호 변환부(330)를 포함할 수 있다. 3 and 4, the Doppler radar bio-signal detection apparatus according to an embodiment of the present invention may include a transceiving unit 310, a signal processing unit 320, and a signal conversion unit 330.

상기 송수신부(310)는 신호를 생명체(301)를 향해 송신하는 송신부(311) 및 상기 생명체(301)에게서 반사된 신호를 수신하는 수신부(312)를 포함할 수 있다. 상기 수신부(312)는 복수로 포함되어 상이한 위치에서 개별적으로 신호를 수신할 수 있다. 상기 수신부(312)가 수신하는 신호는 생체신호를 포함할 수 있다. 상기 생체 신호는 심장 박동, 호흡, 맥박 등의 생체 신호를 포함할 수 있다. 상기 생체신호에는 음성에 의한 진동이 포함될 수 있다. The transmission/reception unit 310 may include a transmission unit 311 for transmitting a signal to the living organism 301 and a reception unit 312 for receiving a signal reflected from the living organism 301. The receiving unit 312 may be included in plural to individually receive signals at different locations. The signal received by the receiving unit 312 may include a biosignal. The bio-signals may include bio-signals such as heart rate, respiration, and pulse. Vibration caused by voice may be included in the biosignal.

상기 송신부(311)는 단일 주파수 지속파를 상기 생명체(301)에게 송신할 수 있다. 상기 송신부(311)는 상기 생명체(301)에게 송신하는 신호는 넓게는 전자파, 전자기파 등을 포함할 수 있고, RF 신호, 광신호, 초음파를 포함할 수 있으며, 이에 한정되지 않고 정보를 전달할 수 있는 모든 종류의 신호를 포함할 수 있다. 상기 송신부(311)에서 상기 생명체(301)에게 송신하는 신호는 상기 생명체(301)에게서 반사되어 상기 수신부(312)에서 수신될 수 있고, 상기 반사된 신호는 상기 생명체(301)의 생체신호에 관한 정보를 포함할 수 있다. 상기 신호는 상기 생명체(301)의 신체에서 반사되면서 상기 생명체(301)의 생체신호에 의해 위상변조되어 생체신호에 관한 정보를 포함할 수 있다. The transmission unit 311 may transmit a single frequency continuous wave to the living organism 301. The transmission unit 311 may broadly include an electromagnetic wave, an electromagnetic wave, and the like, and may include an RF signal, an optical signal, and an ultrasonic wave, but is not limited thereto, and can transmit information. It can contain any kind of signal. The signal transmitted from the transmission unit 311 to the living body 301 may be reflected from the living body 301 and received by the receiving unit 312, and the reflected signal is related to the biosignal of the living body 301 May contain information. The signal may be reflected from the body of the living body 301 and phase-modulated by the bio-signal of the living body 301 to include information on the bio-signal.

상기 수신부(312)는 상기 생체신호에 관한 정보를 포함하는 신호를 수신할 수 있다. 상기 수신부(312)는 복수로 포함될 수 있다. 상기 복수의 수신부(312)는 복수의 위치에 각각 배치되어 신호를 수신할 수 있다. 상기 수신부(312)는 상기 송신부(311)를 중심으로 대칭되는 형태로 배치되거나 위치할 수 있다. 상기 수신부(312)는 상기 송신부(311)를 중심으로 상하좌우에 개별적으로 배치되거나 위치할 수 있다. 상기 수신부(312)는 상기 송신부(311)를 중심으로 하는 원형으로 다수 배치될 수 있다. 상기 수신부(312)는 상기 생명체(301)로부터 반사된 신호를 수신한 뒤 기저대역 신호로 변환하거나 떨어트릴 수 있다. 상기 수신부(312)는 상기 생명체(301)로부터 반사된 신호를 수신한 뒤 상호간에 직각 위상을 가지는 I/Q 기저대역 신호로 변환할 수 있다.The receiving unit 312 may receive a signal including information on the biosignal. The receiving unit 312 may be included in plurality. The plurality of receiving units 312 may be disposed at a plurality of locations, respectively, to receive signals. The receiving unit 312 may be arranged or located in a symmetrical shape with respect to the transmitting unit 311. The receiving unit 312 may be individually arranged or located in the upper, lower, left, and right sides around the transmitting unit 311. The receiving unit 312 may be arranged in a plurality in a circle centered on the transmission unit 311. After receiving the signal reflected from the living body 301, the receiving unit 312 may convert or drop the signal into a baseband signal. The receiving unit 312 may receive a signal reflected from the living body 301 and convert it into an I/Q baseband signal having a perpendicular phase therebetween.

상기 수신부(312)는 I/Q 기저대역 신호는

Figure 112018008974719-pat00003
만큼 위상 변조된 신호로, 여기서는 두 개의 수신부(312)를 사용하는 것으로 가정한다. 두 수신부(312)에서 출력된 I/Q 기저대역 신호는 수학식 4와 같이 표현 할 수 있다.The receiver 312 is the I/Q baseband signal
Figure 112018008974719-pat00003
It is assumed that the signal is phase-modulated by the number, and two receivers 312 are used here. The I/Q baseband signals output from the two receivers 312 can be expressed as in Equation 4.

[수학식 4][Equation 4]

Figure 112018008974719-pat00004
Figure 112018008974719-pat00004

Figure 112018008974719-pat00005
Figure 112018008974719-pat00005

Figure 112018008974719-pat00006
Figure 112018008974719-pat00006

Figure 112018008974719-pat00007
Figure 112018008974719-pat00007

위의 식에서

Figure 112018008974719-pat00008
Figure 112018008974719-pat00009
는 교류 신호의 진폭을 나타내며
Figure 112018008974719-pat00010
Figure 112018008974719-pat00011
는 기저대역 신호의 직류 오프셋 전압을 나타낸다. 여기서 직류 오프셋 전압은 피 측정자의 주변물체와 피 측정자의 위치 그리고 수신부(312) 회로 내에서 축적된 직류 오프셋이 모두 포함되어 나타난다. 위 식의 삼각함수에 포함된
Figure 112018008974719-pat00012
는 송신하는 단일주파수 지속파의 파장,
Figure 112018008974719-pat00013
는 송신 경로에 따른 residual phase offset을 의미한다.In the above equation
Figure 112018008974719-pat00008
Wow
Figure 112018008974719-pat00009
Represents the amplitude of the alternating signal
Figure 112018008974719-pat00010
Wow
Figure 112018008974719-pat00011
Denotes the DC offset voltage of the baseband signal. Here, the DC offset voltage appears to include all the surrounding objects of the subject, the location of the subject, and the DC offset accumulated in the circuit of the receiver 312. Included in the trigonometric function of the above equation
Figure 112018008974719-pat00012
Is the wavelength of the transmitting single-frequency continuous wave,
Figure 112018008974719-pat00013
Denotes a residual phase offset according to the transmission path.

상기 신호 변환부(330)는 상기 수신부(312)에서 수신한 신호를 아날로그 신호는 디지털 신호로, 디지털 신호는 아날로그 신호로 변환할 수 있다. 상기 신호 변환부(330)는 변환한 신호를 상기 신호처리부(320)에 제공할 수 있다. 상기 신호 변환부(330)는 상기 수신부(312)에서 수신한 신호를 상기 신호처리부(320)에서 처리하는데 유리한 형태의 신호로 변환할 수 있다.The signal conversion unit 330 may convert a signal received by the reception unit 312 into an analog signal into a digital signal and a digital signal into an analog signal. The signal conversion unit 330 may provide the converted signal to the signal processing unit 320. The signal conversion unit 330 may convert the signal received by the receiving unit 312 into a signal in a form advantageous for processing by the signal processing unit 320.

상기 신호처리부(320)는 상기 복수의 수신부(312)에서 수신한 신호의 차동위상을 획득해 생체신호를 검출할 수 있다. The signal processing unit 320 may detect a biosignal by acquiring differential phases of signals received by the plurality of receiving units 312.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 신호처리부(320)는 생체신호 검출시 상기 수신된 신호에 포함된 위상 정보는 심장박동신호

Figure 112018008974719-pat00014
, 호흡신호
Figure 112018008974719-pat00015
그리고 임의의 공통된 신체 움직임 신호
Figure 112018008974719-pat00016
의 선형 합으로 나타낼 수 있다. 따라서, i 번째 수신부(312)에서 검출된 위상
Figure 112018008974719-pat00017
Figure 112018008974719-pat00018
로 나타낼 수 있다. 심장박동신호
Figure 112018008974719-pat00019
와 호흡신호
Figure 112018008974719-pat00020
는 주기적인 움직임 이므로 간단히 사인파의 형태로 나타낼 수 있으므로 첫번째 수신부(312)와 두번째 수신부(312)에서 검출되는 위상은 각각 수학식 1 및 수학식 2와 같이 근사적으로 표현 할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, when the signal processing unit 320 detects a biosignal, the phase information included in the received signal is a heartbeat signal.
Figure 112018008974719-pat00014
, Breathing signal
Figure 112018008974719-pat00015
And any common body movement signal
Figure 112018008974719-pat00016
It can be expressed as a linear sum of Therefore, the phase detected by the i-th receiving unit 312
Figure 112018008974719-pat00017
Is
Figure 112018008974719-pat00018
It can be expressed as Heartbeat signal
Figure 112018008974719-pat00019
And breathing signals
Figure 112018008974719-pat00020
Since is a periodic motion, it can be simply expressed in the form of a sine wave, so that the phases detected by the first receiving unit 312 and the second receiving unit 312 can be approximately expressed as in Equations 1 and 2, respectively.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112018008974719-pat00021
Figure 112018008974719-pat00021

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112018008974719-pat00022
Figure 112018008974719-pat00022

여기서,

Figure 112018008974719-pat00023
Figure 112018008974719-pat00024
은 진폭,
Figure 112018008974719-pat00025
Figure 112018008974719-pat00026
는 주파수, 그리고
Figure 112018008974719-pat00027
Figure 112018008974719-pat00028
는 각각 호흡과 심장박동에 대한 초기 위상을 의미한다. 또,
Figure 112018008974719-pat00029
,
Figure 112018008974719-pat00030
Figure 112018008974719-pat00031
,
Figure 112018008974719-pat00032
는 각각 두 수신부(312)에서 검출된 호흡과 심장박동에 의한 움직임의 진폭과 위상 차이를 말한다. 위의 두 식을 이용하여 차동위상
Figure 112018008974719-pat00033
을 수학식 3과 같이 표현 할 수 있다.here,
Figure 112018008974719-pat00023
and
Figure 112018008974719-pat00024
Is the amplitude,
Figure 112018008974719-pat00025
and
Figure 112018008974719-pat00026
Is the frequency, and
Figure 112018008974719-pat00027
Wow
Figure 112018008974719-pat00028
Represents the initial phase for breathing and heartbeat, respectively. In addition,
Figure 112018008974719-pat00029
,
Figure 112018008974719-pat00030
and
Figure 112018008974719-pat00031
,
Figure 112018008974719-pat00032
Denotes the difference in amplitude and phase of movement due to respiration and heartbeat detected by the two receivers 312, respectively. Differential phase using the above two equations
Figure 112018008974719-pat00033
Can be expressed as in Equation 3.

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112018008974719-pat00034
Figure 112018008974719-pat00034

Figure 112018008974719-pat00035
Figure 112018008974719-pat00035

상기 수학식 3에서 볼 수 있듯이 차동위상 신호는 호흡과 심장박동의 주파수 정보를 포함하고 있다. 만약 시간 도메인 신호를 주파수 도메인 신호로 변환할 경우 생체 신호의 주파수 성분의 크기가

Figure 112018008974719-pat00036
,
Figure 112018008974719-pat00037
Figure 112018008974719-pat00038
,
Figure 112018008974719-pat00039
에 의해 결정된다. 따라서, 두 수신부(312)에서 검출된 생체 신호의 진폭과 위상 차이가 클수록 위상 차이 신호에서 더 큰 크기의 생체 신호로 나타난다. 반면, 두 수신부(312)에서 공통적으로 검출된 신호는 상쇄 되므로 이를 이용하면 공통된 신체 움직임을 상쇄하는 동시에 생체 신호를 검출 할 수 있게 된다.As can be seen from Equation 3, the differential phase signal includes frequency information of respiration and heartbeat. If the time domain signal is converted to a frequency domain signal, the magnitude of the frequency component of the biosignal is
Figure 112018008974719-pat00036
,
Figure 112018008974719-pat00037
and
Figure 112018008974719-pat00038
,
Figure 112018008974719-pat00039
Is determined by Accordingly, the larger the amplitude and phase difference of the biosignals detected by the two receiving units 312 are, the larger the biosignals appear in the phase difference signal. On the other hand, since the signals commonly detected by the two receivers 312 are canceled out, it is possible to cancel a common body movement and detect a bio-signal at the same time.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 기저대역 신호의 동적 직류 오프셋 제거 방법의 일 예시이다.5 is an example of a method for removing a dynamic DC offset of a baseband signal according to an embodiment of the present invention.

도 5 (a)를 참조하면, 송신신호가 신체에 반사된 후 수신부(312)에서 수신된 신호는 I/Q 기저대역 신호로 변환 된다. I/Q 기저대역 신호는

Figure 112018008974719-pat00040
만큼 위상 변조된 신호로, 본 발명의 일 실시 예에서는 두 개의 수신부(312)를 사용하는 것으로 가정한다. 두 수신부(312)에서 출력된 I/Q 기저대역 신호는 수학식 4와 같이 표현 할 수 있다.Referring to FIG. 5A, after the transmission signal is reflected on the body, the signal received by the receiving unit 312 is converted into an I/Q baseband signal. I/Q baseband signals are
Figure 112018008974719-pat00040
It is assumed that the signal is phase-modulated by the number, and two receivers 312 are used in an embodiment of the present invention. The I/Q baseband signals output from the two receivers 312 can be expressed as in Equation 4.

[수학식 4][Equation 4]

Figure 112018008974719-pat00041
Figure 112018008974719-pat00041

Figure 112018008974719-pat00042
Figure 112018008974719-pat00042

Figure 112018008974719-pat00043
Figure 112018008974719-pat00043

Figure 112018008974719-pat00044
Figure 112018008974719-pat00044

여기서,

Figure 112018008974719-pat00045
Figure 112018008974719-pat00046
는 교류 신호의 진폭을 나타내며
Figure 112018008974719-pat00047
Figure 112018008974719-pat00048
는 기저대역 신호의 직류 오프셋 전압을 나타낸다. 상기 직류 오프셋 전압은 피 측정자의 주변물체와 피 측정자의 위치 그리고 수신부(312) 회로 내에서 축적된 직류 오프셋이 모두 포함되어 나타날 수 있다. 위 식의 삼각함수에 포함된
Figure 112018008974719-pat00049
는 송신하는 단일주파수 지속파의 파장,
Figure 112018008974719-pat00050
는 송신 경로에 따른 잔류 위상 오프셋(residual phase offset)을 의미한다.here,
Figure 112018008974719-pat00045
Wow
Figure 112018008974719-pat00046
Represents the amplitude of the alternating signal
Figure 112018008974719-pat00047
Wow
Figure 112018008974719-pat00048
Denotes the DC offset voltage of the baseband signal. The DC offset voltage may appear by including all of the surrounding object of the subject, the location of the subject, and the DC offset accumulated in the circuit of the receiver 312. Included in the trigonometric function of the above equation
Figure 112018008974719-pat00049
Is the wavelength of the transmitting single-frequency continuous wave,
Figure 112018008974719-pat00050
Denotes a residual phase offset according to the transmission path.

도플러 레이다 생체신호 검출 장치는 송신신호의 파장보다 작은 움직임을 검출 하는데, 이 때

Figure 112018008974719-pat00051
Figure 112018008974719-pat00052
그리고
Figure 112018008974719-pat00053
Figure 112018008974719-pat00054
는 일정한 값으로 근사할 수 있다. 하지만, 작은 움직임뿐 만 아니라 임의의 신체 움직임과 같은 큰 움직임이 포함된 경우
Figure 112018008974719-pat00055
Figure 112018008974719-pat00056
그리고
Figure 112018008974719-pat00057
Figure 112018008974719-pat00058
는 배경 산란(background scattering)의 변화와 움직임에 의한 피 측정자의 위치 변화로 인해 시간에 따라 변하는 변수가 된다. 따라서, 기저대역 신호에 포함된 위상정보를 정확히 검출하기 위해서는 시간에 따라 변하는 교류 신호의 진폭과 직류 오프셋에 대한 측정(calibration)이 필요하다. 본 발명의 일 실시 예에 따르면 기저대역 신호의 I, Q 신호간의 교류 신호 진폭에 대한 차이는 Gram-Schmidt procedure 또는 digital-IF 구조의 수신부(312)를 이용하여 측정(calibration) 할 수 있으며 여기서는 I, Q 신호간의 교류 신호 진폭에 대한 차이는 무시한다.The Doppler radar bio-signal detection device detects motion smaller than the wavelength of the transmitted signal.
Figure 112018008974719-pat00051
Wow
Figure 112018008974719-pat00052
And
Figure 112018008974719-pat00053
Wow
Figure 112018008974719-pat00054
Can be approximated to a constant value. However, not only small movements but also large movements such as arbitrary body movements are included.
Figure 112018008974719-pat00055
Wow
Figure 112018008974719-pat00056
And
Figure 112018008974719-pat00057
Wow
Figure 112018008974719-pat00058
Is a variable that changes over time due to the change in background scattering and the change in the position of the subject due to movement. Therefore, in order to accurately detect the phase information included in the baseband signal, it is necessary to measure the amplitude and DC offset of the AC signal that change over time (calibration). According to an embodiment of the present invention, the difference in the amplitude of the AC signal between the I and Q signals of the baseband signal can be measured using the Gram-Schmidt procedure or the digital-IF structure receiving unit 312, where I The difference in the amplitude of the AC signal between the and Q signals is ignored.

도 5 (b)를 참조하면, 상기 신호처리부(320)는 차동위상 신호

Figure 112018008974719-pat00059
를 복조하기 전에 기저대역 신호에 포함된 직류 오프셋을 제거해 기저대역 신호를 만들 수 있다. 직류 오프셋은 기저대역 신호의 I/Q trajectory에서 원의 중심으로 생각할 수 있다. 상기 신호처리부(320)는 시간에 따라 변하는 직류 오프셋은 원의 중심을 동적으로 추적해 얻을 수 있다. 여기서는 단위 시간을 나누어 수신된 원들의 중심을 계산한다. 샘플링 된 기저대역 I/Q 신호들 전체를 (
Figure 112018008974719-pat00060
[1],
Figure 112018008974719-pat00061
[1]), (
Figure 112018008974719-pat00062
[2],
Figure 112018008974719-pat00063
[2])
Figure 112018008974719-pat00064
(
Figure 112018008974719-pat00065
[N],
Figure 112018008974719-pat00066
[N]) 이라고 할 때, 적당한 단위 길이
Figure 112018008974719-pat00067
으로 샘플링 데이터를 나누어 단위 시간 원으로 정의한다. 이때, 단위 시간 원의 직류 오프셋과 교류 진폭은 일정하다고 근사할 수 있다. 단위 시간 원의 중심은 수학식 5와 같은 최적화 함수를 계산하여 얻을 수 있다.Referring to Figure 5 (b), the signal processing unit 320 is a differential phase signal
Figure 112018008974719-pat00059
A baseband signal can be created by removing the DC offset included in the baseband signal before demodulating. The DC offset can be thought of as the center of the circle in the I/Q trajectory of the baseband signal. The signal processing unit 320 may obtain a DC offset that changes with time by dynamically tracking the center of a circle. Here, the center of the received circles is calculated by dividing the unit time. All of the sampled baseband I/Q signals (
Figure 112018008974719-pat00060
[1] ,
Figure 112018008974719-pat00061
[One]), (
Figure 112018008974719-pat00062
[2] ,
Figure 112018008974719-pat00063
[2])
Figure 112018008974719-pat00064
(
Figure 112018008974719-pat00065
[N],
Figure 112018008974719-pat00066
[N]), the appropriate unit length
Figure 112018008974719-pat00067
Divide the sampling data by and define it as a unit time circle. At this time, it can be approximated that the DC offset and the AC amplitude of the unit time circle are constant. The center of the unit time circle can be obtained by calculating an optimization function as shown in Equation 5.

[수학식 5][Equation 5]

Figure 112018008974719-pat00068
Figure 112018008974719-pat00068

여기서, m번째 직류 오프셋 값은

Figure 112018008974719-pat00069
에 의해 결정된다. 상기 신호처리부(320)에서 기저대역 신호에서 직류 오프셋이 제거 되고 나면 도 5 (b)와 같이 원들의 중심이 I/Q 직교평면에서 원점에 위치하게 된다. 제안된 차동위상을 수신하는 도플러 레이다에서 위상 차이는 직류 오프셋이 정확히 제거 된 후 얻을 수 있으며 직류 오프셋이 남아있게 되면 차동위상 신호를 계산하는데 오류가 발생하게 될 수 있다.Here, the m-th DC offset value is
Figure 112018008974719-pat00069
Is determined by After the DC offset is removed from the baseband signal in the signal processing unit 320, the centers of the circles are located at the origin in the I/Q orthogonal plane as shown in FIG. 5(b). In the Doppler radar receiving the proposed differential phase, the phase difference can be obtained after the DC offset is accurately removed, and if the DC offset remains, an error may occur in calculating the differential phase signal.

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 기저대역 신호를 이용해 차동위상을 얻는 방법의 일 예시이다.6 is an example of a method of obtaining a differential phase using a baseband signal according to an embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 상기 신호처리부(320)에서 위상 차이 복조 과정 전에 두 수신 신호의 위상 차이를 편각으로 갖는 직각위상 신호를 계산한다. 동적 직류 오프셋을 calibration 한 후 수신된 I/Q 기저대역 신호는 도 6 (a)에서와 같이 수학식 6으로 계산될 수 있다.Referring to FIG. 6, before the phase difference demodulation process, the signal processor 320 calculates a quadrature phase signal having a phase difference between two received signals as a declination angle. After calibrating the dynamic DC offset, the received I/Q baseband signal can be calculated by Equation 6 as shown in FIG. 6 (a).

[수학식 6][Equation 6]

Figure 112018008974719-pat00070
Figure 112018008974719-pat00070

Figure 112018008974719-pat00071
Figure 112018008974719-pat00071

Figure 112018008974719-pat00072
Figure 112018008974719-pat00072

Figure 112018008974719-pat00073
Figure 112018008974719-pat00073

여기서 잔류 위상(residual phase)

Figure 112018008974719-pat00074
는 위상 차이 복조과정에서 영향을 주지 않는 상수이므로 무시할 수 있다. 따라서, 도 6 (b)의 차동 위상 신호를 편각으로 갖는 직각위상 신호
Figure 112018008974719-pat00075
는 위의 I/Q 기저대역 신호를 이용하여 수학식 7과 같이 계산될 수 있다.Where residual phase
Figure 112018008974719-pat00074
Is a constant that does not affect the phase difference demodulation process and can be ignored. Therefore, the right angle phase signal having the differential phase signal of Fig. 6 (b) as a declination angle
Figure 112018008974719-pat00075
Can be calculated as in Equation 7 using the I/Q baseband signal above.

[수학식 7][Equation 7]

Figure 112018008974719-pat00076
Figure 112018008974719-pat00076

Figure 112018008974719-pat00077
Figure 112018008974719-pat00077

Figure 112018008974719-pat00078
Figure 112018008974719-pat00078

Figure 112018008974719-pat00079
Figure 112018008974719-pat00079

Figure 112018008974719-pat00080
Figure 112018008974719-pat00080

Figure 112018008974719-pat00081
.
Figure 112018008974719-pat00081
.

수학식 7은 간단한 삼각함수를 이용하여 얻을 수 있다. 차동위상을 편각으로 갖는 직각위상 신호

Figure 112018008974719-pat00082
는 여전히 교류 진폭
Figure 112018008974719-pat00083
을 포함 하고 있지만, 이는 제안된 위상 차이 복조 과정에서 정확한 차동위상 정보를 얻기 위해 상쇄 될 수 있다.Equation 7 can be obtained using a simple trigonometric function. Right angle phase signal with differential phase as a declination angle
Figure 112018008974719-pat00082
Is still alternating amplitude
Figure 112018008974719-pat00083
Is included, but this can be canceled to obtain accurate differential phase information in the proposed phase difference demodulation process.

상기 신호처리부(320)는 차동위상을 편각으로 갖는 직각위상 신호를 계산한 후, 차동위상을 복조하는 과정을 진행한다. 상기 신호처리부(320)는 복소 신호 복조(Complex signal demodulation, CSD) 방법 및 CSD를 개선한 진폭 보상된 복소 신호 복조 방법(Amplitude-compensated complex signal demodulation, ACCSD)을 이용해 신호를 복조할 수 있다. ACCSD 방법은 기저대역 신호의 교류 진폭의 영향을 완화 시켜 정확한 위상정보 만을 추출할 수 있다. The signal processing unit 320 calculates a quadrature phase signal having a differential phase as a declination angle, and then performs a process of demodulating the differential phase. The signal processing unit 320 may demodulate a signal using a complex signal demodulation (CSD) method and an amplitude-compensated complex signal demodulation (ACCSD) method improving CSD. The ACCSD method can extract only accurate phase information by mitigating the influence of the AC amplitude of the baseband signal.

상기 차동위상을 편각으로 갖는 직각위상 신호에 수학식 8을 이용해 CSD를 적용해 복조할 수 있다.It can be demodulated by applying CSD to a right-angled phase signal having the differential phase as a declination angle using Equation 8.

[수학식 8] [Equation 8]

Figure 112018008974719-pat00084
.
Figure 112018008974719-pat00084
.

여기서,

Figure 112018008974719-pat00085
는 잡음신호이다. 상기 CSD로 복조하면 복조된 신호에 차동위상이 아닌 잡음 신호
Figure 112018008974719-pat00086
가 여전히 포함될 수 있다. 상기 복조된 신호를 FFT 처리 할 경우 그 결과는 위상차이 신호인
Figure 112018008974719-pat00087
와 교류 진폭 잡음 요소인
Figure 112018008974719-pat00088
의 convolution 형태로 나타나게 된다. 따라서 온전한 위상차이 정보를 얻기 위해서는 진폭 잡음 신호가 제거 되어야 하며 이는 ACCSD 방법으로,
Figure 112018008974719-pat00089
로 나눈 수학식 9를 계산해 수행될 수 있다. here,
Figure 112018008974719-pat00085
Is the noise signal. When demodulating with the CSD, the demodulated signal is a noise signal that is not in differential phase.
Figure 112018008974719-pat00086
Can still be included. When the demodulated signal is subjected to FFT processing, the result is a phase difference signal.
Figure 112018008974719-pat00087
And AC amplitude noise factor
Figure 112018008974719-pat00088
Appears in the form of convolution of. Therefore, in order to obtain complete phase difference information, the amplitude noise signal must be removed. This is the ACCSD method,
Figure 112018008974719-pat00089
It can be performed by calculating Equation 9 divided by.

[수학식 9] [Equation 9]

Figure 112018008974719-pat00090
Figure 112018008974719-pat00090

Figure 112018008974719-pat00091
Figure 112018008974719-pat00091

ACCSD 방법을 이용하여 복조된 차동위상 신호는 큰 신체 움직임에 의한 교류 진폭 잡음으로부터 자유롭다. 상기 수학식 9에서 알 수 있듯이 교류 진폭은 직류 오프셋이 제거된 기저대역 신호로부터 계산해 얻을 수 있다.The differential phase signal demodulated using the ACCSD method is free from AC amplitude noise caused by large body movements. As can be seen from Equation 9, the AC amplitude can be calculated and obtained from the baseband signal from which the DC offset has been removed.

도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 도플러 레이더 생체신호 검출 장치의 송수신부 배치의 일 예시이다.7 is an example of an arrangement of a transmitting and receiving unit of a Doppler radar bio-signal detection apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 도플러 레이더 생체신호 검출 장치는 송신부(311)를 중심으로 복수의 수신부가 배치될 수 있다. Referring to FIG. 7, in the Doppler radar bio-signal detection apparatus according to an embodiment of the present invention, a plurality of receivers may be disposed around a transmitter 311.

도 7과 같이 4개의 수신부(312)로 신호를 받는 경우 4개의 수신부(312)에서 각각 다른 수신부(312)와의 차동위상을 검출 할 수 있다. 도 7에서 수신부(312) 간의 차동위상을

Figure 112018008974719-pat00092
라 하면, 6개의 차동위상 신호로 더욱 복잡한 형태의 신체 움직임을 상쇄할 수 있다. 생명체(301)가 앞-뒤, 위-아래, 그리고 좌-우로 움직이는 경우 6개의 차동위상 모두 움직임을 상쇄 할 수 있으며 상기 생명체(301)가 양 옆으로 비트는 움직임은
Figure 112018008974719-pat00093
, 구부리는 움직임은
Figure 112018008974719-pat00094
에 의해 상쇄 할 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 도플러 레이더 생체신호 검출 장치 상기한 방법을 이용해 복잡한 신체 움직임을 제거할 수 있을 뿐만 아니라 높은 신호 대 잡음비를 갖는 검출이 가능하다. When a signal is received by the four receivers 312 as shown in FIG. 7, the four receivers 312 may detect a differential phase with each other receiver 312. 7 shows the differential phase between the receiving units 312
Figure 112018008974719-pat00092
In other words, six differential phase signals can cancel out more complex body movements. When the living organism 301 moves forward-backward, up-down, and left-right, all six differential phases can cancel the movement, and the movement of the living organism 301 twists sideways
Figure 112018008974719-pat00093
, The bending movement
Figure 112018008974719-pat00094
Can be offset by Doppler radar bio-signal detection apparatus according to an embodiment of the present invention Using the above-described method, complex body movements can be eliminated and detection with a high signal-to-noise ratio is possible.

차동위상 복조 방법을 이용하여 복조된 차동위상 신호

Figure 112018008974719-pat00095
의 공통된 신호를 추출해 내기 위해 차동위상 신호끼리의 교차연관(cross-correlation)하는 방법을 사용한다. 즉, 연산자
Figure 112018008974719-pat00096
를 교차연관(cross-correlation)이라고 하면 아래와 같은 수학식 10을 통해 차동위상 신호 간의 공통신호를 찾을 수 있다.Differential phase signal demodulated using differential phase demodulation method
Figure 112018008974719-pat00095
In order to extract the common signal of the differential phase signal, a method of cross-correlation is used. That is, operator
Figure 112018008974719-pat00096
If is referred to as cross-correlation, a common signal between differential phase signals can be found through Equation 10 below.

[수학식 10][Equation 10]

Figure 112018008974719-pat00097
=
Figure 112018008974719-pat00098
Figure 112018008974719-pat00099
Figure 112018008974719-pat00100
Figure 112018008974719-pat00101
Figure 112018008974719-pat00102
Figure 112018008974719-pat00097
=
Figure 112018008974719-pat00098
Figure 112018008974719-pat00099
Figure 112018008974719-pat00100
Figure 112018008974719-pat00101
Figure 112018008974719-pat00102

여기서,

Figure 112018008974719-pat00103
는 복수의 수신부(312)를 이용해 획득한 차동위상 신호이다. 상기 복수의 차동위상 신호를 전부를 사용하지 않고 그 중 몇 개만을 사용하여 신호처리 시간을 줄일 수 있으며, 교차연관(cross-correlation)을 수학식 11과 같이 주파수 도메인에서 진행할 경우 신호처리 시간을 단축 할 수 있다.here,
Figure 112018008974719-pat00103
Is a differential phase signal obtained using the plurality of receivers 312. It is possible to reduce the signal processing time by not using all of the plurality of differential phase signals, but by using only a few of them, and when cross-correlation is performed in the frequency domain as shown in Equation 11, the signal processing time is shortened. can do.

[수학식 11][Equation 11]

Figure 112018008974719-pat00104
=
Figure 112018008974719-pat00105
Figure 112018008974719-pat00104
=
Figure 112018008974719-pat00105

상기 수학식 11과 같이 차동위상 신호들을 각각 고속 푸리에 변환 한 후 그것들의 conjugate 곱으로 교차연관(cross-correlation)계산을 진행 할 수 있다.After each of the differential phase signals is subjected to fast Fourier transform as shown in Equation 11, cross-correlation can be calculated by conjugate products thereof.

본 발명의 일 실시 예에 따른 도플러 레이더 생체신호 검출 장치는 복수 개의 수신부(312)를 포함한, 또는 두 개의 수신부(312)를 포함한 차동위상 도플러 레이다에서 수신부(312) 안테나를 모두 같은 편파로 사용하지 않고 서로 다른 편파를 갖도록 시스템을 구성할 수 있다. 안테나 편파에 따라 수신하는 생체신호의 크기와 위상이 달라지기 때문에 심장박동 신호를 가장 짧은 거리로 수신하는 수신부(312)의 안테나는 송신기 안테나와 co-polarization으로 구성하고 다른 수신부(312)의 안테나는 틀어진 각도의 안테나 편파를 이용하면 생체신호에 대한 차동위상 효과를 증대시키며 큰 크기의 공통된 신체 움직임 신호를 상쇄하는 효과를 얻을 수 있다.The Doppler radar bio-signal detection apparatus according to an embodiment of the present invention does not use all of the antennas of the receiving unit 312 with the same polarization in a differential phase Doppler radar including a plurality of receiving units 312 or including two receiving units 312. The system can be configured to have different polarizations. Since the size and phase of the received bio-signals vary according to the antenna polarization, the antenna of the receiving unit 312 that receives the heartbeat signal at the shortest distance is composed of a transmitter antenna and co-polarization, and the antenna of the other receiving unit 312 is If the antenna polarization of the wrong angle is used, the differential phase effect for the biosignal can be increased, and the effect of canceling the common body motion signal of a large size can be obtained.

도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 도플러 레이더 생체신호 검출 방법의 흐름도이다.8 is a flowchart of a method for detecting a biosignal of a Doppler radar according to an embodiment of the present invention.

도 8을 참조하면 본 발명의 일 실시 예에 따른 도플러 레이더 생체신호 검출 방법은 송신부가 생명체에 신호를 송신하는 단계(S801)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 8, a method for detecting a Doppler radar bio-signal according to an embodiment of the present invention may include a step (S801) of transmitting a signal by a transmitter to an organism.

S801 단계에서 단일 주파수 지속파를 상기 생명체(301)에게 송신할 수 있다. S801 단계에서 송신부(311)가 상기 생명체(301)에게 송신하는 신호는 RF 신호, 광신호, 초음파를 포함할 수 있고, 이에 한정되지 않고 정보를 전달할 수 있는 모든 종류의 신호를 포함할 수 있다.In step S801, a single-frequency continuous wave may be transmitted to the living organism 301. The signal transmitted by the transmitter 311 to the living organism 301 in step S801 may include an RF signal, an optical signal, and an ultrasonic wave, but is not limited thereto and may include all types of signals capable of transmitting information.

본 발명의 일 실시 예에 따른 도플러 레이더 생체신호 검출 방법은 복수의 수신부가 상기 생명체에게서 반사된 신호를 복수의 위치에서 수신하는 단계(S802)를 포함할 수 있다.A method of detecting a Doppler radar bio-signal according to an embodiment of the present invention may include a step (S802) of receiving, by a plurality of receivers, signals reflected from the living organism at a plurality of locations.

S802 단계에서 상기 송신부(311)에서 상기 생명체(301)에게 송신하는 신호는 상기 생명체(301)에게서 반사되어 상기 수신부(312)에서 수신될 수 있고, 상기 반사된 신호는 상기 생명체(301)의 생체신호에 관한 정보를 포함할 수 있다. 상기 신호는 상기 생명체(301)의 신체에서 반사되면서 상기 생명체(301)의 생체신호에 의해 위상변조되어 생체신호에 관한 정보를 포함할 수 있다. In step S802, the signal transmitted from the transmission unit 311 to the living body 301 may be reflected from the living body 301 and received by the reception unit 312, and the reflected signal is the living body of the living body 301 It may contain information about the signal. The signal may be reflected from the body of the living body 301 and phase-modulated by the bio-signal of the living body 301 to include information on the bio-signal.

S802 단계에서 상기 수신부(312)는 상기 생체신호에 관한 정보를 포함하는 신호를 수신할 수 있다. 상기 수신부(312)는 복수로 포함될 수 있다. 상기 복수의 수신부(312)는 복수의 위치에 각각 배치되어 신호를 수신할 수 있다. 상기 수신부(312)는 상기 송신부(311)를 중심으로 대칭되는 형태로 배치되거나 위치할 수 있다. 상기 수신부(312)는 상기 송신부(311)를 중심으로 상하좌우에 개별적으로 배치되거나 위치할 수 있다. 상기 수신부(312)는 상기 송신부(311)를 중심으로 하는 원형으로 다수 배치될 수 있다. 상기 수신부(312)는 상기 생명체(301)로부터 반사된 신호를 수신한 뒤 기저대역 신호로 변환하거나 떨어트릴 수 있다. 상기 수신부(312)는 상기 생명체(301)로부터 반사된 신호를 수신한 뒤 상호간에 직각 위상을 가지는 I/Q 기저대역 신호로 변환할 수 있다.In step S802, the receiving unit 312 may receive a signal including information on the biosignal. The receiving unit 312 may be included in plurality. The plurality of receiving units 312 may be disposed at a plurality of locations, respectively, to receive signals. The receiving unit 312 may be arranged or located in a symmetrical shape with respect to the transmitting unit 311. The receiving unit 312 may be individually arranged or located in the upper, lower, left, and right sides around the transmitting unit 311. The receiving unit 312 may be arranged in a circular shape centered on the transmitting unit 311. After receiving the signal reflected from the living body 301, the receiver 312 may convert or drop the signal into a baseband signal. The receiving unit 312 may receive a signal reflected from the living organism 301 and convert it into an I/Q baseband signal having a perpendicular phase to each other.

S802 단계에서 상기 수신부(312)는 I/Q 기저대역 신호는

Figure 112018008974719-pat00106
만큼 위상 변조된 신호로, 여기서는 두 개의 수신부(312)를 사용하는 것으로 가정한다. 두 수신부(312)에서 출력된 I/Q 기저대역 신호는 수학식 4를 계산해 획득할 수 있다.In step S802, the receiving unit 312 is the I/Q baseband signal
Figure 112018008974719-pat00106
It is assumed that the signal is phase-modulated by the number, and two receivers 312 are used here. The I/Q baseband signals output from the two receivers 312 may be obtained by calculating Equation 4.

S802 단계에서 수신부(312)에서 수신된 신호는 I/Q 기저대역 신호로 변환 된다. I/Q 기저대역 신호는

Figure 112018008974719-pat00107
만큼 위상 변조된 신호로, 본 발명의 일 실시 예에서는 두 개의 수신부(312)를 사용하는 것으로 가정한다. 두 수신부(312)에서 출력된 I/Q 기저대역 신호는 수학식 4를 계산해 얻을 수 있다.The signal received by the receiving unit 312 in step S802 is converted into an I/Q baseband signal. I/Q baseband signals are
Figure 112018008974719-pat00107
It is assumed that the signal is phase-modulated by the number, and two receivers 312 are used in an embodiment of the present invention. The I/Q baseband signals output from the two receivers 312 can be obtained by calculating Equation 4.

본 발명의 일 실시 예에 따른 도플러 레이더 생체신호 검출 방법은 상기 복수의 위치에서 수신한 복수의 신호를 이용해 생명체의 움직임에 의한 성분을 제거하고 생체 신호를 획득하는 단계(S803)를 포함할 수 있다.The method for detecting a biosignal from a Doppler radar according to an embodiment of the present invention may include removing a component caused by a movement of a living body and obtaining a biosignal using a plurality of signals received at the plurality of locations (S803). .

S803 단계에서 상기 신호처리부(320)는 상기 복수의 수신부(312)에서 수신한 신호의 차동위상을 획득해 생체신호를 검출할 수 있다. In step S803, the signal processing unit 320 may detect a biosignal by acquiring a differential phase of signals received by the plurality of receiving units 312.

S803 단계에서 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 신호처리부(320)는 생체신호 검출시 상기 수신된 신호에 포함된 위상 정보는 심장박동신호

Figure 112018008974719-pat00108
, 호흡신호
Figure 112018008974719-pat00109
그리고 임의의 신체 움직임 신호
Figure 112018008974719-pat00110
의 선형 합으로 나타낼 수 있다. 따라서, i 번째 수신부(312)에서 검출된 위상
Figure 112018008974719-pat00111
Figure 112018008974719-pat00112
로 나타낼 수 있다. 심장박동신호
Figure 112018008974719-pat00113
와 호흡신호
Figure 112018008974719-pat00114
는 주기적인 움직임 이므로 간단히 사인파의 형태로 나타낼 수 있으므로 첫번째 수신부(312)와 두번째 수신부(312)에서 검출되는 위상의 차동위상
Figure 112018008974719-pat00115
을 상기 수학식 3을 계산해 획득할 수 있다.According to an embodiment of the present invention in step S803, the signal processing unit 320 includes the phase information included in the received signal when detecting a bio-signal is a heartbeat signal.
Figure 112018008974719-pat00108
, Breathing signal
Figure 112018008974719-pat00109
And random body movement signals
Figure 112018008974719-pat00110
It can be expressed as a linear sum of Therefore, the phase detected by the i-th receiving unit 312
Figure 112018008974719-pat00111
Is
Figure 112018008974719-pat00112
It can be expressed as Heartbeat signal
Figure 112018008974719-pat00113
And breathing signals
Figure 112018008974719-pat00114
Since is a periodic motion, it can be simply expressed in the form of a sine wave, so the differential phase of the phase detected by the first receiver 312 and the second receiver 312
Figure 112018008974719-pat00115
Can be obtained by calculating Equation 3 above.

S803 단계에서 기저대역 신호의 I, Q 신호간의 교류 신호 진폭에 대한 차이는 Gram-Schmidt procedure 또는 digital-IF 구조의 수신부(312)를 이용하여 측정(calibration) 할 수 있으며 여기서는 I, Q 신호간의 교류 신호 진폭에 대한 차이는 무시한다.In step S803, the difference in the amplitude of the AC signal between the I and Q signals of the baseband signal can be calibrated using the Gram-Schmidt procedure or the digital-IF structure receiver 312. Here, the AC signal between the I and Q signals The difference in signal amplitude is ignored.

S803 단계에서 상기 신호처리부(320)는 차동위상 신호

Figure 112018008974719-pat00116
를 복조하기 전에 기저대역 신호에 포함된 직류 오프셋을 제거해 기저대역 신호를 만들 수 있다. 직류 오프셋은 기저대역 신호의 I/Q trajectory에서 원의 중심으로 생각할 수 있다. 상기 신호처리부(320)는 시간에 따라 변하는 직류 오프셋은 원의 중심을 동적으로 추적해 얻을 수 있다. 여기서는 단위 시간을 나누어 수신된 원들의 중심을 계산한다. 샘플링 된 기저대역 I/Q 신호들 전체를 (
Figure 112018008974719-pat00117
[1],
Figure 112018008974719-pat00118
[1]), (
Figure 112018008974719-pat00119
[2],
Figure 112018008974719-pat00120
[2])
Figure 112018008974719-pat00121
(
Figure 112018008974719-pat00122
[N],
Figure 112018008974719-pat00123
[N]) 이라고 할 때, 적당한 단위 길이
Figure 112018008974719-pat00124
으로 샘플링 데이터를 나누어 단위 시간 원으로 정의한다. 이때, 단위 시간 원의 직류 오프셋과 교류 진폭은 일정하다고 근사할 수 있다. 단위 시간 원의 중심은 상기 수학식 5와 같은 최적화 함수를 계산하여 얻을 수 있다.In step S803, the signal processing unit 320 is a differential phase signal
Figure 112018008974719-pat00116
A baseband signal can be created by removing the DC offset included in the baseband signal before demodulating. The DC offset can be thought of as the center of the circle in the I/Q trajectory of the baseband signal. The signal processing unit 320 may obtain a DC offset that changes with time by dynamically tracking the center of a circle. Here, the center of the received circles is calculated by dividing the unit time. All of the sampled baseband I/Q signals (
Figure 112018008974719-pat00117
[1] ,
Figure 112018008974719-pat00118
[One]), (
Figure 112018008974719-pat00119
[2] ,
Figure 112018008974719-pat00120
[2])
Figure 112018008974719-pat00121
(
Figure 112018008974719-pat00122
[N],
Figure 112018008974719-pat00123
[N]), the appropriate unit length
Figure 112018008974719-pat00124
Divide the sampling data by and define it as a unit time circle. At this time, it can be approximated that the DC offset and the AC amplitude of the unit time circle are constant. The center of the unit time circle can be obtained by calculating an optimization function such as Equation (5).

S803 단계에서 상기 신호처리부(320)에서 기저대역 신호에서 직류 오프셋이 제거 되고 나면 도 5 (b)와 같이 원들의 중심이 I/Q 직교평면에서 원점에 위치하게 된다. 제안된 차동 위상을 수신하는 도플러 레이다에서 위상 차이는 직류 오프셋이 정확히 제거 된 후 얻을 수 있으며 직류 오프셋이 남아있게 되면 차동위상 신호를 계산하는데 오류가 발생하게 될 수 있다.After the DC offset is removed from the baseband signal in the signal processing unit 320 in step S803, the centers of the circles are located at the origin in the I/Q orthogonal plane as shown in FIG. 5(b). In the Doppler radar receiving the proposed differential phase, the phase difference can be obtained after the DC offset is accurately removed, and if the DC offset remains, an error may occur in calculating the differential phase signal.

S803 단계에서 상기 신호처리부(320)에서 위상 차이 복조 과정 전에 두 수신 신호의 위상 차이를 편각으로 갖는 직각위상 신호를 계산한다. 동적 직류 오프셋을 calibration 한 후 수신된 I/Q 기저대역 신호는 상기 수학식 6을 계산해 획득할 수 있다. 상기 차동 위상 신호를 편각으로 갖는 직각위상 신호

Figure 112018008974719-pat00125
는 위의 I/Q 기저대역 신호를 이용하여 수학식 7을 계산해 얻을 수 있다.In step S803, before the phase difference demodulation process, the signal processing unit 320 calculates a quadrature phase signal having a phase difference between the two received signals as a declination angle. After calibrating the dynamic DC offset, the received I/Q baseband signal can be obtained by calculating Equation 6. A rectangular phase signal having the differential phase signal as a declination angle
Figure 112018008974719-pat00125
Can be obtained by calculating Equation 7 using the above I/Q baseband signal.

S803 단계에서 수학식 7은 간단한 삼각함수를 이용하여 얻을 수 있다. 차동위상을 편각으로 갖는 직각위상 신호

Figure 112018008974719-pat00126
는 여전히 교류 진폭
Figure 112018008974719-pat00127
을 포함 하고 있지만, 이는 본 발명의 일 실시 예에 따른 위상 차이 복조 과정에서 정확한 차동위상 정보를 얻기 위해 상쇄 될 수 있다.In step S803, Equation 7 can be obtained using a simple trigonometric function. Right angle phase signal with differential phase as a declination angle
Figure 112018008974719-pat00126
Is still alternating amplitude
Figure 112018008974719-pat00127
However, this may be canceled to obtain accurate differential phase information in the phase difference demodulation process according to an embodiment of the present invention.

S803 단계에서 상기 신호처리부(320)는 차동위상을 편각으로 갖는 직각위상 신호를 계산한 후, 차동위상을 복조하는 과정을 진행한다. 상기 신호처리부(320)는 복소 신호 복조(Complex signal demodulation, CSD) 방법 및 CSD를 개선한 진폭 보상된 복소 신호 복조 방법(Amplitude-compensated complex signal demodulation, ACCSD)을 이용해 신호를 복조할 수 있다. ACCSD 방법은 기저대역 신호의 교류 진폭의 영향을 완화 시켜 정확한 위상정보 만을 추출할 수 있다. In step S803, the signal processing unit 320 calculates a quadrature phase signal having a differential phase as a declination angle, and then performs a process of demodulating the differential phase. The signal processing unit 320 may demodulate a signal using a complex signal demodulation (CSD) method and an amplitude-compensated complex signal demodulation (ACCSD) method improving CSD. The ACCSD method can extract only accurate phase information by mitigating the influence of the AC amplitude of the baseband signal.

S803 단계에서 상기 차동위상을 편각으로 갖는 직각위상 신호에 상기 수학식 8을 이용해 CSD를 적용해 복조할 수 있다.In step S803, CSD may be applied to the quadrature phase signal having the differential phase as a declination angle using Equation 8 to demodulate it.

S803 단계에서 온전한 위상차이 정보를 얻기 위해서는 진폭 잡음 신호가 제거 되어야 하며 이는 ACCSD 방법으로,

Figure 112018008974719-pat00128
로 나눈 상기 수학식 9를 계산해 수행될 수 있다. In order to obtain complete phase difference information in step S803, the amplitude noise signal must be removed. This is the ACCSD method.
Figure 112018008974719-pat00128
It can be performed by calculating Equation 9 divided by.

ACCSD 방법을 이용하여 복조된 차동위상 신호는 큰 신체 움직임에 의한 교류 진폭 잡음으로부터 자유롭다. 상기 수학식 9에서 알 수 있듯이 교류 진폭은 직류 오프셋이 제거된 기저대역 신호로부터 계산해 얻을 수 있다.The differential phase signal demodulated using the ACCSD method is free from AC amplitude noise caused by large body movements. As can be seen from Equation 9, the AC amplitude can be calculated and obtained from the baseband signal from which the DC offset has been removed.

본 발명의 일 실시 예에 따른 도플러 레이더 생체신호 검출 방법은 상기 신호 변환부(330)는 상기 수신부(312)에서 수신한 신호를 아날로그 신호는 디지털 신호로, 디지털 신호는 아날로그 신호로 변환하는 단계(미도시)를 포함할 수 있다. 상기 신호 변환부(330)는 변환한 신호를 상기 신호처리부(320)에 제공할 수 있다. 상기 신호 변환부(330)는 상기 수신부(312)에서 수신한 신호를 상기 신호처리부(320)에서 처리하는데 유리한 형태의 신호로 변환할 수 있다.In the Doppler radar bio-signal detection method according to an embodiment of the present invention, the signal conversion unit 330 converts a signal received from the receiving unit 312 into an analog signal into a digital signal and a digital signal into an analog signal ( (Not shown) may be included. The signal conversion unit 330 may provide the converted signal to the signal processing unit 320. The signal conversion unit 330 may convert the signal received by the receiving unit 312 into a signal in a form advantageous for processing by the signal processing unit 320.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통 상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.So far, the present invention has been looked at around its preferred embodiments. Those of ordinary skill in the technical field to which the present invention pertains will be able to understand that the present invention may be implemented in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered from an illustrative point of view rather than a limiting point of view. The scope of the present invention is shown in the claims rather than the above description, and all differences within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the present invention.

Claims (17)

생명체를 향해 신호를 송신하는 단일 송신부;
상기 생명체로부터 반사되는 신호를 수신하는 복수의 수신부; 및
상기 복수의 수신부가 수신한 복수의 신호에서 상기 생명체의 움직임에 의한 성분을 제거하고 생체 신호를 획득하는 신호처리부;를 포함하고,
상기 복수의 수신부에서 수신한 복수의 신호 중 임의의 두 신호에서 각각의 위상을 검출하여 상기 두 신호의 위상 차이를 산출함으로써 생명체의 움직임에 의한 노이즈를 제거하고 생체신호를 획득하며,
상기 신호처리부는,
상기 복수의 수신부에서 수신한 신호를 I/Q 기저대역 신호로 변환해, 상기 기저대역 신호의 동적 직류 오프셋을 제거한 뒤 차동위상을 얻으며,
상기 동적 직류 오프셋이 제거된 기저대역 신호를 이용해 차동위상을 편각으로 갖는 I/Q 기저대역 신호를 계산하는 차동위상 레이더 생체신호 검출 장치.
A single transmission unit that transmits a signal to an organism;
A plurality of receivers for receiving signals reflected from the living organism; And
Including; a signal processing unit for removing a component due to the movement of the living organism from the plurality of signals received by the plurality of receiving units and obtaining a biosignal; and
By detecting the phase of each of the plurality of signals received from the plurality of signals and calculating the phase difference between the two signals, removing noise caused by the movement of living organisms and obtaining a biosignal,
The signal processing unit,
Converting the signals received by the plurality of receivers into I/Q baseband signals, removing the dynamic DC offset of the baseband signals, and obtaining a differential phase,
A differential phase radar bio-signal detection apparatus for calculating an I/Q baseband signal having a differential phase as a declination angle using the baseband signal from which the dynamic DC offset is removed.
제1항에 있어서,
상기 수신부에서 받은 신호를 디지털 신호로 변환하고, 상기 변환한 신호를 상기 신호처리부에 전달하는 신호 변환부;를 더 포함하는 차동위상 레이더 생체신호 검출 장치.
The method of claim 1,
A differential phase radar bio-signal detection apparatus further comprising a signal conversion unit for converting the signal received from the receiving unit into a digital signal and transmitting the converted signal to the signal processing unit.
제1항에 있어서,
상기 복수의 수신부는,
상기 송신부를 중심에 두고 대칭인 위치에 배치되는 차동위상 레이더 생체신호 검출 장치.
The method of claim 1,
The plurality of receiving units,
A differential phase radar bio-signal detection device disposed at a symmetrical position with the transmitter at the center.
제3항에 있어서,
상기 수신부는,
상기 송신부를 중심으로 상하좌우 위치에 4개로 포함되는 차동위상 레이더 생체신호 검출 장치.
The method of claim 3,
The receiving unit,
Differential phase radar bio-signal detection apparatus including four at the top, bottom, left, and right positions around the transmitter.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 신호처리부는,
상기 차동위상을 편각으로 갖는 I/Q 기저대역 신호를 진폭 잡음 요소의 크기로 나누고 복조하는 차동 위상을 얻는 차동위상 레이더 생체신호 검출 장치.
The method of claim 1,
The signal processing unit,
A differential phase radar biosignal detection apparatus for obtaining a differential phase by dividing and demodulating the I/Q baseband signal having the differential phase as a declination angle by the magnitude of an amplitude noise component.
단일 송신부가 생명체에 신호를 송신하는 단계;
복수의 수신부가 상기 생명체에게서 반사된 복수의 신호를 복수의 위치에서 수신하는 단계; 및
상기 복수의 위치에서 수신한 복수의 신호를 이용해 상기 생명체의 움직임에 의한 성분을 제거하고 생체 신호를 획득하는 단계;를 포함하고,
상기 복수의 수신부에서 수신한 복수의 신호 중 임의의 두 신호에서 각각의 위상을 검출하여 상기 두 신호의 위상 차이를 산출함으로써 생명체의 움직임에 의한 노이즈를 제거하고 생체신호를 획득하고,
상기 생체 신호를 획득하는 단계는,
상기 복수의 수신부에서 수신한 신호를 I/Q 기저대역 신호로 변환해, 상기 기저대역 신호의 동적 직류 오프셋을 제거한 뒤 차동 위상을 얻는 단계; 및
상기 동적 직류 오프셋이 제거된 기저대역 신호를 이용해 차동위상을 편각으로 갖는 I/Q 기저대역 신호를 계산하는 단계;를 더 포함하는 차동위상 레이더 생체신호 검출 방법.
Transmitting a signal to a living organism by a single transmission unit;
Receiving a plurality of signals reflected from the living organism at a plurality of locations by a plurality of receivers; And
Including; removing a component caused by the movement of the living organism using a plurality of signals received at the plurality of locations and obtaining a biosignal; Including,
By detecting a phase of each of the plurality of signals received from the plurality of signals and calculating a phase difference between the two signals, removing noise caused by the movement of a living organism and obtaining a biosignal,
The step of obtaining the biosignal may include:
Converting the signals received by the plurality of receivers into I/Q baseband signals, removing the dynamic DC offset of the baseband signals, and obtaining a differential phase; And
Computing an I/Q baseband signal having a differential phase as a declination angle using the baseband signal from which the dynamic DC offset has been removed; a differential phase radar biosignal detection method further comprising.
제10항에 있어서,
상기 복수의 신호를 복수의 위치에서 수신하는 단계는,
상기 복수의 수신부가 상기 송신부를 중심에 두고 대칭인 위치에 배치되는 차동위상 레이더 생체신호 검출 방법.
The method of claim 10,
Receiving the plurality of signals at a plurality of locations,
Differential phase radar bio-signal detection method in which the plurality of receiving units are disposed at a symmetrical position with the transmitting unit at the center.
제11항에 있어서,
상기 수신부는,
상기 송신부를 중심으로 상하좌우 위치에 4개로 포함되는 차동위상 레이더 생체신호 검출 방법.
The method of claim 11,
The receiving unit,
Differential phase radar bio-signal detection method including four at the top, bottom, left, and right positions around the transmitter.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제10항에 있어서,
상기 생체 신호 획득 단계는,
상기 차동위상을 편각으로 갖는 I/Q 기저대역 신호를 진폭 잡음 요소의 크기로 나누고 복조하는 차동 위상을 얻는 단계;를 더 포함하는 차동위상 레이더 생체신호 검출 방법.

The method of claim 10,
The biosignal acquisition step,
Dividing the I/Q baseband signal having the differential phase as a declination angle by the magnitude of an amplitude noise factor and obtaining a differential phase for demodulating; differential phase radar biosignal detection method further comprising.

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